懸臂式掘進機在硬巖地質下地鐵暗挖隧道下穿既有線施工技術研究

孫榮SUN Rong

（中國水利水電第八工程局有限公司，長沙 410000）

0 引言

隨著我國社會經濟的不斷發展，城鎮化進程不斷加快，城市的規模和空間不斷擴張，城市軌道交通在技術和規模上均得到迅猛發展，盾構法（盾構機、TBM 掘進機）替代傳統礦山法在城市地鐵施工中得到廣泛應用。然而，受區域地層條件和城市特殊施工環境的限制，一些城市的部分地鐵項目仍采用礦山法施工。由于城市爆破施工的局限性，使得人們對非爆破開挖及其工程設備的研究不斷深入，促進了懸臂式掘進機在城市地鐵施工中的應用以及發展。

1 懸臂式掘進機施工技術簡介

懸臂式掘進機是一種大型綜合掘進設備，集切割、行走、裝運、噴霧除塵于一體的非爆開挖掘進設備。懸臂式掘進機作為一款大型綜合掘進設備，其截割功率從100kW至360kW，適應全巖巷道及隧道掘進施工，截割巖石硬度從f4 至f10，最大截割巖石單向抗壓強度可達120MPa，適用中小斷面以上的隧道施工，設備自身適應性很強。懸臂式掘進機作業線主要由主機和配套設備組成。主機采用履帶式行走機構，作業時通過設備前端大臂帶動截割頭左右循環擺動向上向下截割巖石。配套設備主要有鏟板刮板、皮帶運輸機、高壓噴霧系統及自動卷纜裝置。截割頭截割切削巖石后，底部鏟板刮板收料清底，通過內置中間運輸機轉載完成一運，再通過尾部配套皮帶運輸機完成二運裝車；內、外高壓噴霧系統完成截割頭冷卻及作業面除塵，實現掘進、出渣、除塵連續作業。

2 項目背景及概況

根據地質勘查報告顯示，深圳地鐵12 號線太子灣站～海上世界站區間施工段從上到下的地質依次為強風化粗粒花崗巖、中風化粗粒花崗巖、微風化粗粒花崗巖，2 號線蛇海區間受影響區域、2 號線與12 號線之間地層、12 號線隧道地層均位于微風化粗粒花崗巖，下穿段2 號線洞身、12 號線洞身及2 號線與12 號線之間的地層均為微風化粗粒花崗巖，12 號線隧道斷面為馬蹄形，寬6.2m，高6.76m；2 號線隧道斷面為馬蹄形，寬5.8m，高6.348m（圖1、圖2 所示）。

圖2 區間隧道與2 號線隧道平面圖

深圳地鐵12 號線太海區間礦山法隧道近距離下穿既有地鐵2 號線蛇口港-海上世界站區間，夾角為70°，與地鐵2 號線蛇海區間最小豎向凈距為4.11m，下穿段左線長22.714m，右線長23.231m（圖1、圖2 所示）。

下穿2 號線段原設計要求采用上下臺階法施工，減震孔+數碼雷管爆破，振速不得超過1cm/s，單次爆破循環進尺不得超過0.5m，同時爆破時間為列車停運期間（凌晨1:30-6:00）。

既有2 號線控制參數表及安全控制指標如表1、表2所示。

表1 既有2 號線軌道靜態尺寸容許變形值

表2 既有2 號線隧道結構安全控制指標標準值

若采用爆破施工，施工進尺緩慢、爆破振速不可控、施工時間受限；同時既有2 號線礦山法隧道也是采用爆破開挖，爆破施工可能會對隧道輪廓線外巖體造成破壞，造成下穿段12 號線與2 號線隧道之間巖層破碎，產生掉塊、冒頂風險。為了加快施工進度，滿足工期目標，減小對巖層的較大擾動，降低對既有2 號線隧道的行車影響。結合現場實際工況，積極開展技術方案優化，經專家咨詢論證，現場通過試驗段施工，分析相關控制數據，滿足施工要求。最終擬定下穿段選用XTR6/260 懸臂式掘進機進行隧道開挖施工。

3 懸臂式掘進機在地鐵隧道的應用

3.1 設備選型 設備選型時，應結合掘進機的設備參數、工藝特點，以及對12 號線太海區間礦山法隧道下穿段參數與2 號線蛇海區間礦山法隧道受影響區域參數對比（如表3），綜合考慮以下技術參數：

表3 隧道參數對比表

①定位截割高度和寬度。設備的定位截割高度和寬度決定設備的一次成型斷面尺寸。若擬選機型的定位截割高度和寬度小于隧道開挖斷面尺寸，掘進時不能一次成型，需二次墊高和左右移動設備主體，則會降低使用效率；若擬選機型的定位截割高度和寬度大大超過隧道開挖斷面尺寸，則會造成設備的浪費，且受隧道作業空間的限制，不利于設備的使用。因此設備選型時，以設備的截割高度和寬度略大于開挖斷面、滿足一次成型為宜。②最大/可經濟截割巖石單向抗壓強度。設備的截割巖石單向抗壓強度決定設備的掘進效率，與設備的截割電機功率相關聯。設備選型時，一般按可經濟截割巖石單向抗壓強度考慮匹配隧道圍巖抗壓強度。③外形尺寸。設備自身的“懸臂”特點，使得設備的橫截面尺寸一般遠遠小于其定位截割寬度和高度，因此設備的外形尺寸并非設備選型時的優先考慮因素。但綜合考慮隧道的作業條件，設備的外形尺寸也應酌情予以考慮。

深圳地鐵12 號線太海區間以中等風化粗粒花崗巖和微風化粗粒花崗巖為主，結合項目地質參數和工況，綜合考慮以上因素，選用徐工XTR260 型懸臂式掘進機。

3.2 開挖工裝配套 本項目通過明挖豎井組織進洞施工，雙線共兩個開挖作業面，單個隧道作業面開挖主要工裝設備配套有：XTR260 型掘進機1 臺、挖掘機1 臺、裝載機1 臺、柴油發電機1 臺、變壓器1 臺、自卸式渣土運輸車3 臺。

3.3 通風降塵 掘進機掘進過程中產生大量巖粉，大大降低隧道空氣質量和空氣能見度，開挖作業面附近尤為嚴重，對掌子面開挖作業和后續仰拱襯砌作業均造成極大影響。隧道通風降塵除掘進機自身配置的高壓噴霧降塵系統外，結合隧道地層巖性和作業時產生的粉塵情況，在機身臨時增設高壓霧炮機降塵，以改善開挖作業面附近的空氣質量和能見度。同時考慮隧道通風長度，結合洞外設置的軸流風機進行管道壓入式通風，在隧道內設置移動射流風機，加快空氣流通速度，解決隧道內局部風力不足和空氣質量差的問題。

3.4 施工工藝方法 ①深圳地鐵12 號線太海區間采用臺階法開挖施工，拱墻一次開挖成型。具體工藝如下：

1）開挖方式：采用上下臺階法開挖，隧道最高處為5.48m，最寬處為6.2m。開挖作業時，掘進機就位后，開始先從作業面底部切削出一道槽，然后調整機身再次就位，懸臂帶動截割頭自下而上、左右循環切削，在拱頂處超過掘進機的切割高度時，可用碎石墊起一個坡，以保證開挖斷面不欠挖。在切削的同時，機身前端鏟板部刮板將切削下來的石渣裝入內置第一運輸機，通過第一運輸機同步轉運至機身尾部第二運輸機，再通過第二運輸機直接裝入出渣車運輸至洞外。從底部切削開挖至頂部后，再進行切削修正以達到準確的設計斷面。切割方式由下往上左右循環切割，當局部有硬巖時，可以選用小直徑切割頭，切割力大，破巖能力強。在開挖掘進過程中，受設備鏟板尺寸的限制，鏟板往往不能將隧道底板的渣土徹底清收，待開挖成型設備退場后，再通過挖掘機進行清底作業，清除剩余渣土。開挖作業時，掘進機的截割方式是從掃地開始截割，再按照S 型或Z 型路線左右循環向上逐級截割以上部分（圖3 所示）。遇到節理發育較好的巖層，則沿巖石節理方向逐級切割。當局部遇有硬巖時，可以選用小直徑切割頭，切割力大，破巖能力強，以降低掘進難度及截齒消耗量。

圖3 懸臂式掘進機掘進順序圖

2）出渣：掘進機切碎巖石后由傳送帶運至機器尾部送出，然后由裝載機裝入渣斗，由豎井內現有龍門吊垂直運輸至場地內的堆渣池內，由挖機配合轉運至自卸車運走。

3）仰拱開挖：仰拱開挖應滯后掘進機開挖掌子面不小于15m，采用數碼雷管爆破。

②初期支護：1）距離既有2 號線隧道結構外邊緣10m范圍，每開挖進尺1m，立即進行初期支護，初期支護采用噴錨+格柵鋼架支護，鋼架間距0.5m，初支厚200mm。錨桿采用C22 砂漿錨桿，L=3m，環向間距1.2m，縱向間距1.0m（拱部150°）。2）下穿2 號線段，每開挖進尺0.5m，立即進行初期支護，初期支護采用噴錨+格柵鋼架支護，鋼架間距0.5m，初支厚200mm。錨桿采用C22 砂漿錨桿，L=2.5m,環向間距1.2m，縱向間距1.2m（拱部150°）。

③自動化監測：距離2 號線結構外邊緣50m 時，對既有2 號線隧道結構、軌道等進行自動化監測，并建立安全風險分析平臺，通過該平臺，將現場監測數據，及時傳輸至控制中心，進行分析、上報，并根據分析結果采取監管、應急、防范等措施。監測內容主要包含監測初始值采集、既有2 號線結構缺陷巡查、監測點布設、監測頻率選取、監測預警等級劃分及應對措施。

④施工監測：施工時，加強對已施工地段隧道拱頂豎向位移、洞內水平收斂、底板隆起及周邊地表沉降、周邊建構筑物地沉降的監測。本項目采用明挖豎井進洞施工，配備3 臺自卸式渣土運輸車，隧道內配備1 臺裝載機進行洞內水平運輸，豎井場地內設置20t 龍門吊進行垂直運輸，基本滿足生產施工需要。

3.5 洞內文明施工 掘進機對圍巖的破碎程度高，巖石強度越高，整體性越好，破碎程度越高，石渣顆粒越小，粉渣越多。本項目針對工況及時抽排積水，確保排水符合排放標準。對渣土運輸車車廂進行必要的密封處理，保證運輸過程不遺漏、少遺漏，減少洞內通道二次污染；同時存放在臨時渣土場的渣土要進行必要的翻曬處理。開挖作業面的渣土要及時清理干凈，避免越積越多，造成道路泥濘不堪。

3.6 掘進機施工安全 懸臂式掘進機不同于盾構機，是一種敞開式隧道掘進機，在掘進過程中對作業面圍巖不能起到支撐作用，因此對圍巖自身的穩定性和預加固措施的要求與礦山法相同。深圳地鐵12 號線太海區間針對既有2 號線控制參數表及安全控制指標施工過程中，要加強超前地質預報，通過超前水平地質鉆孔、TSP、地質雷達、紅外探水等手段探測前方地質情況，并充分利用拱頂小導管鉆孔加強拱部的地質探測，掌握地層變化。具體如下：①下穿前對既有2 號線蛇海區間現狀進行調查，進行三維激光掃描并做好相應記錄，對其安全性進行論證，以制定其安全狀態，同時制定出變形預測及施工管理標準值，待下穿過后再對2 號線結構進行調查，與施工前狀況進行對比分析。②對既有2 號線受影響地段每隔3 對短軌枕設置一根絕緣軌距拉桿。③對既有2 號線采取自動化監測，與既有線運營管理部門建立綜合管理機制，根據監測結果，必要時采取洞內加固措施及對運營區間的限速措施。④隧道其次是針對前方圍巖變化情況，及時調整施工工法，縮短循環進尺，確保施工安全；必要時調整超前小導管參數，加強拱部超前支護措施。

4 懸臂式掘進機在地鐵暗挖隧道施工在本項目幾點體會

深圳地鐵12 號線太海區間下穿段與2 號線蛇海區間采用臺階法開挖施工中，懸臂式掘進機相對于其他傳統礦山法隧道施工有著無可比擬的優勢。①掘進機主體采用履帶式行走機構，機身調動靈活，便于轉彎、爬坡，對復雜地質條件適應性強；適用于全斷面、短臺階及長臺階等隧道施工工法；②掘進機截割部的切削臂可以上下、左右自由擺動，能切割任意形狀隧道斷面；切削出的斷面表面精確、平整、圓順，不需要二次修形，機掘超挖量小，便于支護施工；③相比傳統的爆破開挖，掘進機對周邊圍巖的影響深度小，極大地降低了安全風險；噪音低，能有效控制對周邊環境的影響和減少外部施工干擾；④相比液壓錘等其他非爆開挖設備，掘進機掘進效率高，能實現切削、裝運連續作業，減少了渣土轉載環節，總工序時間縮短了十天左右；⑤掘進機采用切削方式進行掘進，振動小，對圍巖擾動極小，在2 號線內自動化振速監測基本沒有振速，同時提高了隧道開挖精確性，開挖斷面圓順度高，便于噴砼支護，同時也提高了初期支護的質量；⑥掘進機開挖不受時間限制，可一天24 小時作業，同時開挖工效高，四級圍巖（巖石強度約60MPa），每小時可開挖8m3；三級圍巖（巖石強度約80MPa），每小時可開挖5m3；開挖的同時能進行出渣作業，大大減少了開挖面的臨空時間，能及早的進行初期支護。

5 結束語

懸臂式掘進機在建筑工程隧道施工中的應用日趨廣泛，掘進機施工技術也日趨成熟，掘進機以其施工技術先進、掘進速度快、掘進效率高、適應能力強等特點，具有較好的推廣應用前途。結合掘進機在地鐵暗挖隧道施工中的應用，進一步開展掘進機施工技術、施工工藝及對隧道施工適應性的研究，進一步改善設備自身存在的不足，有利于懸臂掘進機在地鐵隧道施工中的推廣應用。